08a-Text-Trafotest-ueberspannung-100VA-Rr EI

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Trafotest-ueberspannung-100VA-Rk+EI.doc.
Kann ein Ringkerntrafo Überspannungsimpulse an seinem Ausgang besser
begrenzen als ein EI Trafo?
Kurz und bündig: Ja. Abhängig davon, wo ein Überspannungsimpuls von zum
Beispiel 1-5 msec. Dauer bezüglich zur Netzhalbwelle liegt, kann ein
Transformator durch seine Kernsättigung diesen Puls mehr oder weniger
begrenzen, so dass der Überspannungsimpuls auf der Sekundärseite eine geringe
Amplitude und Dauer hat. Länger andauernde Überspannungen, können von
einem Transformator nicht in der Amplitude begrenzt werden. Die
Überspannung kann jedoch durch Sicherungsauslösen abgeschaltet werden,
wenn die Primärseitige Trafo Absicherung flink auf Nennstrom erfolgt, und
diese Absicherung dann bei Überspannung sofort auslöst. Das geht am Besten,
wenn ein Trafo verwendet wird, dessen Hysteresekurve nach der Sättigung
waagerecht verläuft, wie es nur beim Ringkerntrafo der Fall ist. Das geht
wiederum nur wenn der Einschaltstrom mit einem Trafoschaltrelais vermieden
wird, denn nur dann kann die Primärsicherung auf Nennstrom flink ausgelegt
werden.
Eine zusätzliche Option des Trafoschaltrelais was bis jetzt den Einschaltstrom
vermeidet, ist die schnelle Reaktion auf Überspannung durch Ausschalten
solange die Überspannung ansteht. Damit kann eine Last nach dem Trafo am
besten geschützt werden, wenn eine zusätzliche Überspannungs-Klammerung
am Eingang der zu schützenden Last erfolgt.
Eine Auslegung des Trafos mit einer Induktionsreserve, zum Zweck der
Einschaltstromreduzierung ist für die Begrenzung oder Abschaltung durch
Sicherungsauslösen von länger dauernder Überspannung kontraproduktiv, weil
der Trafo dann bei Überspannung nicht in Sättigung gehen kann und damit die
Eingangssicherung auch nicht auslösen kann. Diese Aussagen werden im
Folgenden durch Messungen untermauert.
Zur Untersuchung der Wirkung von Überspannungsimpulsen an
Transformatoren wurden Messungen an einem 100 VA Ringkerntrafo, 230V zu
18V und einem 100VA EI Trafo, 230V zu 15V durchgeführt. Messungen an
größeren Trafos gestalten sich wegen der dann größeren Ströme in der
Trafosättigung, bei gegebenen Netzverhältnissen mit 16A C abgesichert, als
schwierig. --Ein 100VA Trafo verhält sich jedoch bei Überspannung aber
genauso wie ein zum Beispiel 1 kVA Trafo.-Die Speisung zum Test erfolgt über einen 1kVA Stelltrafo, der einen 1kVA
Schnittbandkerntrafo mit 230V zu 400V speist. Am 400V Ausgang wird der zu
testende 100 VA Trafo angeschlossen und mit variabler Spannung beaufschlagt.
Es wird untersucht, ob eine Überspannung am Eingang von einem Ringkerntrafo
an dessen Ausgang automatisch durch die Eisensättigung begrenzt wird, und ob
eine gegen Überspannung empfindliche Elektronik nach einer Gleichrichter-
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Siebglied Schaltung nach dem Trafo, durch das Trafoverhalten automatisch
geschützt werden kann. Eine durch den Trafo gespeiste Elektronik ist in der
Regel durch eine Transzorb- Diode gegen Überspannung geschützt. Diese
Schutzdiode klammert die Überspannung und kann das aber nur für eine kurze
Zeit. Innerhalb dieser Zeit muss eine für längere Zeit anstehende Überspannung
automatisch abgeschaltet werden, soll die zu schützende Elektronik nicht
beschädigt werden.
Prüfling ist in allen Messkurven ein 100VA Ringkern-, bzw. ein EI Trafo, 230V
zu 18V mit halber Widerstands Nennlast.
Bild 1. Messung wenn eine permanente Überspannung von 252V am Ringkern
Trafo angelegt wird. –Rot ist die Eingangsspannung, blau ist der Eingangsstrom.
Der Eingangsstrom des Ringkerntrafos steigt durch die Überspannung am Ende
jeder Netzhalbwelle stark an, weil die Spannungszeitfläche einer jeden
Netzhalbwelle die Magnetisierung dann am Ende der Hysteresekurve in die
Sättigung treibt. Die Eingangsspannung zeigt noch keine Beeinflussung durch
die Rückwirkung des Trafos.
Bild 1a, Messung wenn eine permanente Überspannung von 252V am EI Trafo
angelegt wird.
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Der Eingangsstrom des EI- Trafos steigt durch die Überspannung am Ende jeder
Netzhalbwelle nicht so stark an, wenn die Spannungszeitfläche einer jeden
Netzhalbwelle die Magnetisierung dann am Ende der Hysteresekurve in die
Sättigung treibt. Die Eingangsspannung zeigt noch keine Beeinflussung durch
die Rückwirkung des Trafos. Der EI- Trafo hat mehr Magnetisierungsreserven
als der getestete Ringkerntrafo.
Bild 2. Messung wenn 390V an den Ringkern Trafo angelegt werden.
Am Eingang fällt die speisende Spannung ab, wenn der Strom aufgrund der
Sättigung des 100VA Trafos stark ansteigt. Der Speisende 1kVA SchnittbandKerntrafo und der Speisende 1kVA Ringkern-Stelltrafo haben einen nicht mehr
zu vernachlässigenden R und L- Innen- widerstand an dem durch den hohen und
schnell ansteigenden Strom nun eine Spannung abfällt, die am zu testenden
Trafo nicht mehr zur Verfügung steht.
Bild 2a. Messung wenn 390V an den EI- Trafo angelegt werden
Der Eingangsstrom steigt nicht so stark und auch langsamer an wie beim
Ringkerntrafo. Die Rückwirkung auf die Eingangsspannung ist geringer, kommt
aber nur vom Testaufbau.
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Bild 3. Hysteresekurve von Ringkerntrafo.
Wenn die Magnetisierung in den waagerechten Teil der Kurve läuft, Sättigung,
steigt der Strom stark an. Die Feldstärke erhöht sich stromproportional, die
Flussdichte - B, die Induktion, erhöht sich dann kaum noch. Deshalb wird dann
ab der Sättigung in der Sekundärspule keine Spannung mehr induziert. Siehe die
nächste Messung in Bild 4 wo die Ausgangsspannung aufgezeichnet wurde.
Bild 3a. Hysteresekurve von EI-Trafo
Die Hysteresekurve von EI Trafos verläuft im Übergang runder als bei
Ringkerntrafos.
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Bild 4. Messung wenn 390V an den Ringkern Trafo angelegt werden.
Messung der Ausgangsspannung und des Eingangsstromes.
Die Ausgangsspannung geht auf Null zurück, wenn der Trafo in die Sättigung
kommt. Die Sättigung wird durch den übergroßen Strom angezeigt. Der
Nennstrom des Trafos ist nur 0,4A, der Sättigungsstrom ist 12Apk.
Eine Gleichrichter Siebglied Kombination würde in diesem Fall aber noch keine
geringere Spannung bekommen, weil die Ausgangsspannung erst nach dem
Scheitelwert begrenzt wird. Es wird jedoch die Zeitdauer der AusgangsÜberspannungshalbwellen verkleinert.
Bild 4a. Messung wenn 390V an den EI Trafo angelegt werden.
Messung der Ausgangsspannung und des Eingangsstromes.
Die Ausgangsspannung des EI Trafos wird zwar kleiner, geht aber nicht wie
beim Ringkerntrafo auf Null zurück, wenn der Trafo in die Sättigung kommt,
weil die hysteresekurve ab der Sättigung immer noch ansteigt und damit eine
Flußänderung im Eisen stattfindet. Die Sättigung wird durch den übergroßen
Strom angezeigt. Der Nennstrom des Trafos ist nur 0,4A, der Sättigungsstrom ist
8Apk.
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Bild 5. Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den
Ringkern Trafo angelegt werden. Es wurde per Zufall eingeschaltet und die
Messung ausgewertet, wo der eingeschaltete Überspannungspuls den Trafo
sofort in die Sättigung treibt. - Eine einmalige Überspannungspulserzeugung die
auf die laufende Netzspannung synchronisiert ist, erfordert ein kostspieliges
Equipment, was hier nicht zur Verfügung stand.Messung der Ausgangsspannung und des Eingangsstromes.
Die Wirkung eines einzelnen Überspannungs-Impulses in Form einer einzelnen
Netzhalbwelle kann ohne Aufwand nur schwer untersucht werden.
Aus diesem Grund wird zufällig aus und mit Überspannung zufällig
eingeschaltet. --Der Trafo hatte in diesem Bild vor dem Einschalten eine hohe
negative Remanenz, weil sofort nach dem anlegen der negativen NetzHalbwelle die negative Sättigung entstand.-Je nach dem Zustand der Remanenz vor dem Einschalten, ist die
Ausgangsspannung in der Höhe und Zeitdauer beschnitten in der ersten
Spannungshalbwelle. Hier ist die erste Ausgangsspannungs-Halbwelle nur
zeitlich beschnitten.
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Bild 5a. Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den EITrafo angelegt werden.
Der erste Ausgangsspannungspuls wird in der Zeit und etwas in der Amplitude
begrenzt. Bei stärkerer Sättigung bricht auch beim EI Trafo die
Ausgangsspannung ein. Zum Vergleich die Bilder: 4a und 4b.
Bild 6. Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den
Ringkern Trafo angelegt werden.
Je nach dem Zustand der Remanenz vor dem Einschalten, ist die
Ausgangsspannung in der Höhe und Zeitdauer beschnitten in der ersten
Spannungshalbwelle. Hier ist die Ausgangsspannung sowohl in der Amplitude
als auch zeitlich beschnitten.
Man sieht an dem kurz nach dem Einschalten entstehenden hohen positiven
Eingangsstrom, dass das Eisen schon vor dem Einschalten in der Nähe des
positiven oberen Remanenzpunktes magnetisiert war. Wenn das Eisen in
Sättigung ist, wird auf der Trafo Ausgangsseite keine Spannung mehr gemessen,
weil keine nennenswerte Induktions- Änderung mehr im Eisen stattfindet.
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Bild 6a. Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den EI
Trafo angelegt werden
Der erste Ausgangsspannungspuls wird in der Amplitude und der Zeitdauer
durch die Trafosättigung begrenzt.
Bild 7, Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den
Ringkern Trafo angelegt werden.
Je nach dem Zustand der Remanenz vor dem Einschalten, ist die
Ausgangsspannung beschnitten in der ersten Spannungshalbwelle. Hier ist die
Ausgangsspannung sowohl in der Amplitude als auch zeitlich beschnitten.
Man sieht an dem kurz nach dem Einschalten entstehenden hohen positiven
Eingangsstrom, dass das Eisen schon vor dem Einschalten in der Nähe des
positiven oberen Remanenzpunktes magnetisiert war. Wenn das Eisen in
Sättigung ist, wird auf der Trafo Ausgangsseite keine Spannung mehr gemessen,
weil keine nennenswerte Induktions- Änderung mehr im Eisen stattfindet.
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Bild 7a. Messung wenn 390V als Überspannung per Einschaltimpuls an den EI
Trafo angelegt werden.
Die Amplitude vom ersten Ausgangsspannungspuls wird nicht begrenzt nur die
Zeitdauer.
Fazit: Der Ringkerntrafo kann die Amplitude und Dauer des ersten
Überspannungspulses besser begrenzen als der EI-Trafo.
Eine längere Zeit anstehende Überspannung kann jedoch nur durch schnelles
Abschalten des Trafos vermieden werden. Entweder durch das Auslösen der
Absicherung durch den Trafo Sättigungsstrom oder durch ein Spannungswächter
Relais vor dem Trafo.
Bild 8. Einschalten auf Ringkerntrafo mit Überspannung von ca. 285V eff und
Sicherungsauslösen nach 100 msec.
Die Absicherung ist hier mit 0,8A flink auf den 2 fachen Nennstrom ausgelegt.
Die Überspannung von 285V eff löst die Absicherung nach 100 msec. aus.
Hier ist zufällig kein Einschaltstrom entstanden, der die Messung hier stören
würde, weil die Remanenz zum Einschaltzeitpunkt günstig lag.
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Bild 8a. Einschalten auf EI- Trafo mit 285V eff. Überspannung und kein
Sicherungsauslösen.
Im Gegensatz zum gleich großen Ringkerntrafo löst der EI Trafo bei 285V
Überspannung die Absicherung nicht aus.
Bild 8b. Einschalten auf EI- Trafo mit 343V eff. Überspannung und
Sicherungsauslösen.
Im Gegensatz zum gleich großen Ringkerntrafo löst der EI Trafo erst bei
343Veff Überspannung die Absicherung in ähnlicher Zeit wie in Bild 8 aus.
Weil die Stromspitzen breiter sind, ist die Stromspitzen Höhe bei gleicher
Sicherungs- Auslösezeit kleiner.
Der EI Trafo kann die Absicherung erst bei viel höheren Überspannungen als
der Ringkern Trafo auslösen.
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Bild 9. Einschalten von 314Veff. auf den Ringkerntrafo mit also noch größerer
Überspannung als zuvor. Sicherungsauslösen nach 20 msec.
314 Veff. Überspannung auf Trafo geschaltet, ohne Einschaltstrom.
Die Absicherung ist hier mit 0,8A flink auf den 2 fachen Nennstrom ausgelegt.
Die höhere Überspannung lag hier nur 10 msec. am Ausgang an. Eine
Transzorbdiode hält üblicherweise für die Dauer von 10 msec. einen großen
Überstrom aus, der durch die Überspannung entsteht und währe hier wohl nicht
gefährdet.
Bild 9a. Einschalten von 353Veff auf den EI Trafo mit also noch größerer
Überspannung als zuvor. Sicherungsauslösen nach 15 msec.
Es fällt auf, dass die Ausschaltrückschlag EMK Spannung des EI- Trafos mit
728Vpk deutlich größer ist als beim Ringkerntrafo. Eine Gefährdung von
Bauteilen auf der Trafosekundärseite ist dadurch möglich.
Die zum schnell Auslösen nötige Überspannung mit 353Veff. ist auch bei
diesem Test größer als beim Ringkerntrafo.
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Bild 10. Ringkerntrafo. Schnelles hochstellen der Speisespannung am Stelltrafo
von Hand mit Sicherungsauslösen durch den Überstrom.
Die Absicherung ist hier mit 0,8A flink auf den 2 fachen Nennstrom ausgelegt.
Die Sicherung löst ca. 50msec. nach dem Beginn des Hochstellens, am Ende der
Aufzeichnung aus.
Wenn die Schutzdiode auf der gespeisten Elektronik groß genug bemessen ist,
dass sie die Arbeit, welche durch die Überspannung in der Schutzdiode entsteht,
für die Zeit bis zum Ausschalten aushält, dann ist die vom Trafo gespeiste
Elektronik geschützt.
Bild 10a. EI- Trafo. Schnelles hochstellen der Speisespannung am Stelltrafo von
Hand mit Sicherungsauslösen durch den Überstrom.
Bei EI Trafo muß der Stelltrafo bei gleicher Stellgeschwindigkeit weiter gedreht
werden als beim Ringkerntrafo, damit die Absicherung auslöst. Die Auslösung
der Absicherung dauert länger. Auch hier hat der EI Trafo gegenüber dem
Ringkerntrafo Nachteile. Vergleich mit Bild 10.
Fazit:
Ein Überspannungsimpuls in Form einer einzelnen Netzhalbwelle oder von noch
kürzerer Dauer, kann nur dann von einem Trafo durch dessen Sättigung in der
Amplitude begrenzt werden, wenn der Impuls deutlich vor dem Scheitel der
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Netzhalbwelle kommt. Siehe Bilder 1 und 2. Diese Aussage ist hier nicht
Messtechnisch dokumentiert, weil das entsprechende Equipment dazu fehlt,
kann aber aus den oben gezeigten Messungen und der Kenntnis über die
Vorgänge im Trafo abgeleitet werden.
Der Ringkerntrafo kann die Überspannungspulse stärker kappen als es der EI
Trafo kann. Siehe die Bilder 2 – 7.
Alleine die Ausschalt-Rückschlagspannung kann bei EI Trafo ein Problem sein
für die vom Trafo gespeiste Elektronik. Siehe Bild: 10a.
Kommt der Überspannungsimpuls im oder nach dem Scheitel dann kann ein
länger dauernder Impuls nur in seiner Dauer begrenzt werden. Siehe die oben
gezeigten Messungen.
Eine Symmetrische Überspannung kann nicht in der Amplitude begrenzt
werden, weil der Überstrom im Trafo immer erst nach dem Scheitel der
Netzspannung entsteht.
Somit lässt sich eine Gleichrichter Siebglied Schaltung nach dem Trafo nicht
direkt und allein durch die Trafosättigung gegen Überspannung schützen.
Hier kann eine Auslegung der Absicherung auf Nennstrom mit flinker
Sicherungscharakteristik helfen, weil damit die Wirkung der Überspannung sehr
wirksam zeitlich begrenzt werden kann.
Wenn die Schutzdiode auf der gespeisten Elektronik groß genug bemessen ist,
dass sie die Arbeit, welche durch die Überspannung in der Schutzdiode entsteht,
für die Zeit von 20 bis 80 msec. bis zum Auslösen der Sicherung aushält, dann
ist die vom Trafo gespeiste Elektronik geschützt.
Die Wiedereinschaltung muss jedoch von Hand erfolgen, was nicht in allen
Fällen möglich ist.
Komfortabler ist eine sofortige Abschaltung der speisenden Netzspannung bei
entstehender Überspannung direkt in der Netzhalbwelle in der die
Überspannung entsteht, mit automatischer Wiedereinschaltung, wenn die
Netzspannung wieder auf den Nennwert abgesunken ist. --Evtl. Wählbare
Filterzeit für die Überspannung von 5- 30 msec.-Das kann zum Beispiel erfolgen durch ein so genanntes Trafoschaltrelais, mit
schneller Reaktion auf Überspannungsanstieg, mit ausschalten solange die
Überspannung ansteht, mit anschließender, automatischer Wiedereinschaltung
unter Vermeidung des Trafoeinschaltstromes.
Diese Eigenschaft der schnellen Reaktion des Trafoschaltrelais, TSRL, auf
Netzüberspannungen kann innerhalb kurzer Zeit in das TSRL implementiert
werden.
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Der Einsatz eines Standard TSRL mit Überspannungsabschaltung mit 50 msec.
Filterzeit kann in solchen Fällen helfen, wo die Transzorbdiode in der zu
schützenden Elektronik groß genug bemessen ist und andere Strombegrenzende
Bauteile vor dieser Diode eingesetzt werden. Der Erfolg des Schutzes vor der
Zerstörung hängt natürlich auch von der Höhe der Überspannung ab.
Gemessen und verfasst von EMEKO Ing. Büro, M.Konstanzer, am 13.02.2007